CN112510372B - 一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，它包括多模干涉功分器、液晶介质移相器部件和锥形介质棒天线结构；所述多模干涉功分器和棒天线分别设置在所述液晶介质移相器部件的两侧；所述多模干涉功分器通过矩形波导馈电，经过所述液晶介质移相器部件相位调制后的射频信号通过所述锥形介质棒天线结构辐射，产生固定方向的辐射方向图。本发明的优点在于：基于液晶介质移相器的1×4太赫兹相控阵采用液晶介质移相器、多模干涉功分器以及锥形介质棒天线合成一体化的设计思路，同时利用现有聚苯乙烯微波塑料加工工艺，不再需要单独的移相器元件，极大地降低了相控阵天线的成本，实现了小型化。

Description

一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线
技术领域
本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线。
背景技术
目前大多数可用于市场的相控阵天线，是通过混合跟踪方法控制，天线在仰角平面上电子控制，在方位平面上机械控制，这些架构允许平面阵列的广角扫描，增益损失可忽略不计。然而，这些天线相对昂贵，由于机械系统，重量大，占用体积大，对于一些手机汽车等终端，不仅对天线有性能要求，而且天线的低轮廓和紧凑性也很重要。现有基于硅基CMOS集成的相控阵已经被证明可用于太赫兹波段，尽管如此，它们的实际应用受到环境条件的挑战。
因此，不同的微波材料，包括柔性液晶聚合物和低温共烧陶瓷(LTCC)，已被用于降低封装成本并改善，相控阵也可以通过使用可调电介质来实现，例如，已经有基于钛酸锶钡的相控阵的研究，该技术为太赫兹波段以下的频段提供了相对较高的性能，而由于介电损耗的增加，它们的性能大大降低。
现有传统的机械式波束扫描技术的相控阵天线，其存在频率波段低、无线通信数据率低、定位精度差和扫描精度有限，且其结构与控制复杂、笨重昂贵和功能单一、扫描系统比较庞大、集成微小化程度低等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，可有效解决基于传统的机械式波束扫描技术的相控阵天线中所出现的问题，满足相控阵雷达天线与系统中对新型电调相控阵天线的需求。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，它包括多模干涉功分器、液晶介质移相器部件和锥形介质棒天线结构；所述多模干涉功分器和棒天线分别设置在所述液晶介质移相器部件的两侧；所述多模干涉功分器通过矩形波导馈电，经过所述液晶介质移相器部件相位调制后的射频信号通过所述锥形介质棒天线结构辐射，产生固定方向的辐射方向图。
进一步地，所述液晶介质移相器部件包括五个依次排列的基板，在每两个基板之间设置有液晶介质移相器；在液晶介质移相器上下的基板上焊接有偏置电极，所述液晶介质移相器与偏置电极接触实现电路连通。
进一步地，所述液晶介质移相器包括平行极化镜像线结构，在其内部削出有液晶腔，在液晶腔内部放置有液晶，液晶介质移相器只与一侧的基板紧贴，以形成介质镜像线结构。
进一步地，所述偏置电极通过馈线连接到焊盘上，焊盘焊接在所述基板上；所述偏置电极包括反向阶梯阻抗结构的电机，以防止基板内部的寄生模式产生不需要的模式激励，实现减少耦合并抑制谐振的目的。
进一步地，两个偏置电极之间的间隔为1.25mm，偏置电极的长度为21mm，其内部设计有宽度为0.4mm和0.8mm以及长度为0.15mm和0.25mm的两个不同宽度和长度的反向阶梯阻抗结构，以获得高带宽和足够的模式抑制。
进一步地，所述多模干涉功分器一端为锥形结构，以减少寄生辐射；在锥形结构上设置有单模端口，在多模干涉功分器的另一端设置有四个终端端口；所述液晶介质移相器的一端分别插入到四个终端端口中。
进一步地，所述锥形介质棒天线阵列包括四根锥形介质棒天线；所述液晶介质移相器的另一端分别插入到四根锥形介质棒天线中。
进一步地，所述四根锥形介质棒天线包括两根锥形长度为5mm和两根锥形长度为10mm的介质棒天线，以实现对所述多模干涉功分器引起的相位差进行补偿；四根锥形介质棒天线的底面直径设置为1.8mm，以达到天线带宽和主瓣增益之间的平衡。
本发明具有以下优点：一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，基于液晶介质移相器的1×4太赫兹相控阵采用液晶介质移相器、多模干涉功分器以及锥形介质棒天线合成一体化的设计思路，同时利用现有聚苯乙烯微波塑料加工工艺，不再需要单独的移相器元件，极大地降低了相控阵天线的成本，实现了小型化；通过集成液晶介质移相器、多模干涉功分器以及锥形介质棒天线，兼具了液晶移相器体积小、重量轻、驱动电压低、高频性的特点和Rexolite 1422在太赫兹中杰出的介电性能，并利用竖插偏置电极结构实现了四路电压的连续可调和单独控制；基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线具有小型化、高分辨率、低功耗、低成本等优势，拓宽了太赫兹相控阵天线在无线通信领域的应用范围。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为介质镜像线结构示意图；
图4为介质镜像线结构的偏置电场原理图；
图5为反向阶梯阻抗结构的电极示意图；
图6为一分四多模干涉功分器示意图；
图7为锥形介质棒天线结构示意图；
图中：1-多模干涉功分器，2-液晶介质移相器部件，3-锥形介质棒天线，4-基板，5-偏置电极，6-液晶腔，7-平行极化镜像线结构，8-馈线，9-焊盘，10-终端端口，11-单模端口，12-液晶介质移相器。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明涉及一种基于液晶介质移相器的1×4太赫兹相控阵天线，其主要包括基于自映像效应的多模干涉功分器1、基于介质镜像线结构的液晶介质移相器部件2和锥形介质棒天线阵列；各部分主要通过聚苯乙烯微波塑料加工工艺打磨成一个整体块；液晶介质移相器部件2的偏置电极5焊接在FR-4基板4(其介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.02)上，并垂直放置，基板4上的焊盘9使用低频连接线与外接电压源相连接，以提供偏置电压；相控阵天线采用天线辐射单元、电控液晶移相器与功分网络一体化设计，多模干涉功分器1设置在液晶介质移相器部件2的左侧，锥形介质棒天线阵列辐射单元设置在液晶介质移相器右侧，功分网络的馈电方式采用矩形波导馈电，经过液晶介质移相器部件2相位调制后的射频信号分别通过四个介质棒天线辐射，进而产生固定方向的辐射方向图。所有的五个焊有金属偏置电极5的FR-4基板4用顶上的泡沫槽进行固定，且基板4只有一侧紧贴移相器(以形成介质镜像线结构)。除竖插偏置电极5和液晶腔6内的液晶外，其余部分均由Rexolite 1422材料加工制得，Rexolite 1422是一种独特的交联聚苯乙烯，介电常数为2.53(至500GHz)，该相控阵除偏置电极5外整体大小约为62mm×13mm×1.8mm，偏置电极5高度为27mm。
进一步地，介质镜像线是一种平面结构，旨在利用接地平面作为介质波导的镜像面和机械承载来减小介质波导的物理尺寸。与空心波导相比，介质镜像线结构中的电偏压系统的设计具有一些优势。由于开放边界，偏压场不会发生畸变，可以使用的电极也更少。此外，电极放置的面积要大得多，使得偏置场分布更加均匀。
基本的电场模式产生与接地平面正交的电场极化。在这种情况下，由镜像线结构承载的可调谐液晶材料可以与传播波很好地相互作用。此外，在镜像线结构中加工的偏置电极5对于移相器的设计又是必要的，由于靠近接地平面的场强低，偏置电极对传播波的影响极小。本发明设计的平行极化镜像线结构7的高度为4.5mm，宽度为2mm，结构的截面如图3所示。平行极化镜像线结构7包括一根长条杆状的Rexolite 1422(交联聚苯乙烯)、在杆状的Rexolite 1422内削出的液晶腔6、承载Rexolite 1422以及焊接下方偏置电极5的FR-4基板4、焊接上方偏置电极5的FR-4基板4。
通过对上层电极施加电压，下层电极接地，上下基板4之间形成如图4左侧所示的纵向电场，液晶分子受电场作用成垂直排列，此时液晶腔6有效介电常数为ε⊥；通过对右侧电极施加电压，左侧电极接地，上下基板之间形成如图4右侧所示的四极场，液晶分子受电场作用成水平排列，此时液晶腔6有效介电常数为ε||。
在设计用于液晶取向的电极时，必须考虑几个标准。最重要的是电极对传播射频模式的影响。由于电极放置在介质镜像线结构内部，传播波耦合到条形电极中，导致不必要的谐振和泄漏，从而降低传输效率。由于电极和射频场的相互作用，必须防止激发Pyralux基板内部的寄生模式。因此，设计反向阶梯阻抗结构的电极以防止不需要模式激励，该结构减少了耦合并抑制了谐振。
反向阶梯阻抗结构是根据巴比涅原理做了反向处理。利用这种设计原则，可以获得更均匀的场分布。在设计过程中，对结构进行了优化，使其最大阻抗失配。最重要的是阶梯阻抗结构，其在电极上实现大带宽的模式抑制。反向阶梯阻抗结构如图5所示，两个电极间隔1.25mm，电极长度为21mm，设计了0.4mm到0.8mm两个不同宽度的阻抗结构，其长度也在0.15和0.25mm之间变化，以获得高带宽和足够的模式抑制。
多模干涉功分器1的工作原理是基于多模波导的自映像效应，作为多模波导的重要特性，自映像效应是波导中激励模式间的相长性干涉结果。通过这个效应，沿波导的传播方向将周期性的产生输入场的一个或多个像。基于自映像效应的多模干涉型功分器，除了具备功率分配均匀性好的优点之外，还具有结构紧凑、插入损耗低、频带较宽、制作工艺简单和容差性好等优点，其突出的特点是可以显著减小器件长度，从而也减小了制作工艺的难度。
因为自映像效应，所有模式的叠加，这些模式均可在多模波导中传播。在多模波导部分，由于不同模式传播速度不同，存在着传播常数差，在波传播方向上的任意位置，不同模式的相位发生了相对移动，不同模式间的相位关系与入射时候不再相同，使得多模波导不同位置处光场横向分布与多模波导起始端(z＝0处)不同。
Figure BDA0002827571730000051
其中，β0和βv分别是0次模和v次模的传播常数。低次模间的拍长Lπ被定义为：
Figure BDA0002827571730000052
其中，λ0是自由空间波长，εr是相对介电常数，W是多模波导的有效宽度。
本发明的对称干涉对应的多模波导长度为
Figure BDA0002827571730000053
多模波导终端将得到均匀分布的输入场的N重像，则利用Rexolite 1422(交联聚苯乙烯)设计的一分四功分器长度为
Figure BDA0002827571730000054
结构图如图6所示，最左端是宽度为1.8mm的二次单模亚波长馈电端口，在多模干涉功分器1的起始端拐角处是锥形的，以尽可能地减少寄生辐射。多模干涉功分器宽度为12.5mm，起始端锥形长度为7.5mm，终端端口10宽度为1.8mm，终端端口间距3.3mm。
由于介质棒天线的高增益和极低的互耦，介质棒天线非常适合做阵列成像的馈源。考虑增加介质棒天线工作带宽，当材料介电常数越大，其基模色散曲线越陡则带宽越窄，由此可知，材料的介电常数不能太大，同时，材料介电常数过小时，其质地偏软，在太赫兹频段尺寸过小时，加工质地较软的材质较为困难，综合考虑，选择和介质移相器一样的材料Rexolite 1422。如图7所示，设计的四个锥形介质棒天线3采用两种不同的锥长度，分别为5mm和10mm，以补偿功分器引起的相位差。
在太赫兹频段，作为辐射系统的馈源，介质棒天线往往不需要达到最佳增益要求，而会根据需要作出适当的调整。如在大多数场合，由于介质棒天线的结构需要插入波导，因此介质棒天线的长度不宜过长，否则在插入时会出现倾斜的现象。介质棒天线的底面直径可以比最佳增益条件适当增大，这可以一定程度上增加天线的带宽，但主瓣增益会有所降低，经过仿真优化，确定天线的底面宽度为1.8mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，其特征在于：它包括多模干涉功分器(1)、液晶介质移相器部件(2)和锥形介质棒天线结构(3)；所述多模干涉功分器(1)和棒天线(3)分别设置在所述液晶介质移相器部件(2)的两侧；所述多模干涉功分器(1)通过矩形波导馈电，经过所述液晶介质移相器部件(2)相位调制后的射频信号通过所述锥形介质棒天线结构(3)辐射，产生固定方向的辐射方向图；
所述液晶介质移相器部件(2)包括五个依次排列的基板(4)，在每两个基板(4)之间设置有液晶介质移相器(12)；在液晶介质移相器(12)上下的基板(4)上焊接有偏置电极(5)，所述液晶介质移相器(12)与偏置电极(5)接触实现电路连通；
所述液晶介质移相器(12)包括平行极化镜像线结构(7)，在其内部削出有液晶腔(6)，在液晶腔(6)内部放置有液晶；液晶介质移相器(12)只与一侧的基板(4)紧贴，以形成介质镜像线结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，其特征在于：所述偏置电极(5)通过馈线(8)连接到焊盘(9)上，焊盘(9)焊接在所述基板(4)上；所述偏置电极(5)包括反向阶梯阻抗结构的电机，以防止基板(4)内部的寄生模式产生不需要的模式激励，实现减少耦合并抑制谐振的目的。
3.根据权利要求2所述的一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，其特征在于：两个偏置电极(5)之间的间隔为1.25mm，偏置电极(5)的长度为21mm，其内部设计有宽度为0.4mm和0.8mm以及长度为0.15mm和0.25mm的两个不同宽度和长度的反向阶梯阻抗结构，以获得高带宽和足够的模式抑制。
4.根据权利要求1所述的一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，其特征在于：所述多模干涉功分器(1)一端为锥形结构，以减少寄生辐射；在锥形结构上设置有单模端口(11)，在多模干涉功分器(1)的另一端设置有四个终端端口(10)；所述液晶介质移相器(12)的一端分别插入到四个终端端口(10)中。
5.根据权利要求1所述的一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，其特征在于：所述锥形介质棒天线阵列包括四根锥形介质棒天线(3)；所述液晶介质移相器(12)的另一端分别插入到四根锥形介质棒天线(3)中。
6.根据权利要求5所述的一种基于液晶介质移相器的太赫兹相控阵天线，其特征在于：所述四根锥形介质棒天线(3)包括两根锥形长度为5mm和两根锥形长度为10mm的介质棒天线，以实现对所述多模干涉功分器(1)引起的相位差进行补偿；四根锥形介质棒天线(3)的底面直径设置为1.8mm，以达到天线带宽和主瓣增益之间的平衡。
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